微合金非調(diào)質(zhì)鋼在連桿鍛造中的應(yīng)用

文／鐘勇，胡紅衛(wèi)，李新平·南昌齒輪鍛造廠

微合金非調(diào)質(zhì)鋼在連桿鍛造中的應(yīng)用

文／鐘勇，胡紅衛(wèi)，李新平·南昌齒輪鍛造廠

鐘勇，質(zhì)管部技術(shù)工程師，主要從事原材料檢測、故障檢測、失效分析、熱處理工藝制定及非調(diào)質(zhì)鋼控冷設(shè)備的設(shè)計與工藝制定等工作。

目前我廠連桿、控制臂、曲軸等汽車零部件使用的原材料都是微合金非調(diào)質(zhì)鋼，非調(diào)質(zhì)鋼，顧名思義就是不需要調(diào)質(zhì)處理卻可以達到調(diào)質(zhì)作用的鋼，故非調(diào)質(zhì)鋼又稱為熱處理省略鋼。非調(diào)質(zhì)鋼之所以能達到調(diào)質(zhì)鋼的作用，是因為在中低碳鋼中加入了強碳化物形成元素，如V、Nb、Ti等元素，利用鍛造過程中的高溫形變及隨后的冷卻，控制微合金化合物的析出及產(chǎn)生晶粒細化作用，從而使鋼強化。非調(diào)質(zhì)鋼是伴隨國際上能源短缺而發(fā)展起來的一種高效節(jié)能鋼，與調(diào)質(zhì)鋼相比具有簡化生產(chǎn)工藝流程、提高材料利用率、降低能耗和制造成本(25%～28%)的優(yōu)點。非調(diào)質(zhì)鋼在汽車行業(yè)的應(yīng)用已日趨廣泛，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國非調(diào)質(zhì)鋼的年用量在10～15萬噸，其中汽車行業(yè)的年用量就達5～8萬噸。非調(diào)質(zhì)鋼已先后經(jīng)歷了鐵素體—珠光體型、貝氏體型、馬氏體型等3個階段的發(fā)展，目前工業(yè)上廣泛應(yīng)用的是鐵素體—珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼。鐵素體—珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼現(xiàn)廣泛應(yīng)用在我廠連桿、控制臂、曲軸等汽車零部件的生產(chǎn)中。現(xiàn)我廠已經(jīng)基本掌握了鐵素體—珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼的鍛造成形工藝，能較好地生產(chǎn)鍛件成品，而且對其鍛后控冷制度的制定也有較豐富的實踐經(jīng)驗，可達到國內(nèi)外汽車廠家技術(shù)規(guī)定的組織和性能要求。本文就我廠近年來非調(diào)質(zhì)鋼在連桿鍛造中的生產(chǎn)經(jīng)驗和技術(shù)成果以及生產(chǎn)中產(chǎn)生的一些技術(shù)問題做個探討，為國內(nèi)非調(diào)質(zhì)鋼在連桿鍛造中的廣泛應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。

連桿用非調(diào)質(zhì)鋼

連桿是發(fā)動機的重要零件，它的作用是連接活塞和曲軸，使活塞的往復(fù)運動變換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動，受到拉伸、壓縮和彎曲應(yīng)力及交互疲勞載荷的作用，由于其工作環(huán)境較為苛刻，故對其強度和韌性具有較高的要求。在我國，應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼最成功的零件是汽車發(fā)動機連桿，其使用的非調(diào)質(zhì)鋼數(shù)量最多，約占全國非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)總量的一半。例如，上海大眾汽車連桿使用的非調(diào)質(zhì)鋼是30Mn2VS；江鈴汽車連桿使用的非調(diào)質(zhì)鋼是35MnVS；天津大發(fā)TJ370Q、TJ376Q發(fā)動機連桿使用的非調(diào)質(zhì)鋼是進口的S43CVS1；廣州標致汽車連桿使用的非調(diào)質(zhì)鋼是從法國進口的45M5UA2。

我廠為江鈴汽車提供非調(diào)質(zhì)鋼連桿鍛件成品，使用的非調(diào)質(zhì)鋼是35MnVS。我廠35MnVS非調(diào)質(zhì)鋼連桿鍛件的生產(chǎn)技術(shù)成熟，經(jīng)驗豐富，鍛件質(zhì)量穩(wěn)定，性能優(yōu)良，得到了客戶的好評。

非調(diào)質(zhì)鋼連桿及連桿蓋的鍛造工藝流程

如圖1所示是我廠生產(chǎn)的35MnVS非調(diào)質(zhì)鋼連桿及連桿蓋。

圖1 我廠生產(chǎn)的35MnVS非調(diào)質(zhì)鋼連桿及連桿蓋

連桿的鍛造工藝流程具體為：

下料→中頻加熱→輥鍛→制坯→預(yù)鍛→終鍛→切邊→風冷→拋丸。

連桿蓋的鍛造工藝流程具體為：

下料→中頻加熱→預(yù)鍛→終鍛→切邊→風冷→拋丸。

鍛造過程中的影響因素分析

鋼材化學成分的影響

我廠連桿用非調(diào)質(zhì)鋼35MnVS的化學成分見表1，此批連桿用35MnVS鋼有爐號97CC5385和爐號97CC5386兩種。

從表1可以看出，此兩種爐號的原材料均符合我廠對原材料的技術(shù)要求。但是鍛件在鍛打并用風機風冷后，我們檢測其金相組織時發(fā)現(xiàn)：在所處的外界環(huán)境都相同的情況下，爐號97CC5385鋼鍛造的連桿只能在不超過500r/min的風速下進行風冷，風速大于500r/min時，金相組織出現(xiàn)大量異常，鍛件的硬度也偏低；而爐號97CC5386鋼鍛造的連桿則可以用800r/min的風速進行風冷，金相組織、鍛件的硬度也都符合要求。究其原因，可能和鋼鐵原材料微合金元素的控制有關(guān)。從表1中可以看出，爐號97CC5385鋼比爐號97CC5386鋼的V含量低，在鍛后冷卻過程中，V的碳化物彌散析出，一方面可以阻礙奧氏體的再結(jié)晶過程，細化晶粒；另一方面也可增加材料基體強度。爐號97CC5385鋼在這兩方面的作用較弱，晶粒相對粗大，冷速較快時，易產(chǎn)生魏氏組織，同時，碳化釩彌散析出物較少，硬度相對較低。此外，也可能受其他未能檢測到的微量元素Cr、Mo、Ni等的影響。故我廠跟鋼鐵生產(chǎn)廠家進行溝通，希望他們嚴格控制鋼材的微合金元素含量。由于微合金非調(diào)質(zhì)鋼含有很多種微合金元素，部分檢測不到，故需要鋼廠在煉鋼過程中嚴格控制每個流程，盡量減少不同爐號的成分誤差，使其成分含量相同。

如圖2所示是我廠非調(diào)質(zhì)鋼35MnVS連桿鍛后控冷線。

圖2 非調(diào)質(zhì)鋼35MnVS連桿鍛后控冷線

表1 35MnVS鋼的化學成分

加熱溫度的影響

提高鍛造加熱溫度，即提高奧氏體化溫度，可使V、Ti的固溶量增大，V、Ti的碳氮化物逐漸溶入奧氏體中，大量溶解的微合金碳氮化物在冷卻過程中彌散析出，可提高鋼的強度和硬度；但另一方面，溫度升高，奧氏體晶粒長大，組織粗化，韌性下降。

連桿下料直徑為φ50mm，連桿蓋為φ38mm，有效厚度比較小，內(nèi)外容易達到鍛造溫度并且均勻，此外由于鍛件比較小，金屬容易充滿模具型腔，故加熱溫度不需要太高，設(shè)置加熱溫度不超過1200℃。如果超過此溫度，奧氏體晶粒迅速長大，會導(dǎo)致風冷后晶粒度不合格，強度和硬度降低，韌性下降。

形變的影響

連桿蓋在初期試制的過程中，其鍛造工藝中包括輥鍛這道工序，但是最終的鍛件金相組織不合格，后來刪掉該工序，直接進行預(yù)鍛工序，卻發(fā)現(xiàn)鍛件最終金相組織符合要求。這可能是由于鍛造工序較多時，每個鍛造工序的形變量相對較小所導(dǎo)致的。特別是輥鍛時中間停留時間較長，而且在高溫下鍛造時，形變量太小，晶粒畸變能小的材料容易發(fā)生再結(jié)晶，奧氏體晶粒容易粗化，完全恢復(fù)了初始的等軸晶粒狀態(tài)。在隨后的鍛造過程中，變形量可能沒有達到合理的技術(shù)要求范圍，導(dǎo)致形變奧氏體晶粒粗大，先共析鐵素體呈網(wǎng)狀析出，組織分布不均勻。

冷卻速度的影響

在非調(diào)質(zhì)鋼的鍛后風冷過程中，風冷速度對于組織的轉(zhuǎn)變有決定性的影響作用，在一定程度上，冷卻速度的控制是對鋼鐵材料最終組織性能影響最大、最明顯的一個環(huán)節(jié)，其決定了鐵素體和珠光體的分配情況、形態(tài)，鐵素體晶粒度的大小，珠光體的片層間距等。如圖3所示是通過相變儀測定得出的35MnVS鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。

由圖3可以看到，不同的冷卻速度，得到的組織是不同的。冷卻速度不超過3℃/s時，組織為鐵素體＋珠光體；冷卻速度在7～17℃/s范圍內(nèi)時，組織為鐵素體＋珠光體＋貝氏體＋馬氏體；冷卻速度大于23℃/s時，全部生成馬氏體。

圖3 35MnVS鋼不同冷卻速度的組織轉(zhuǎn)變圖

我廠某35MnVS連桿鍛件風冷后的金相組織如圖4所示。

圖4 35MnVS連桿鍛件風冷后的金相組織

由圖4可以看出，35MnVS連桿鍛件風冷后產(chǎn)生了大量的貝氏體組織，這是由于風量開得太大、吹風時間過長而導(dǎo)致冷卻速度過快造成的。

生產(chǎn)實踐中也發(fā)現(xiàn)，當冷卻速度過慢，低于40℃/min時，鍛件的硬度往往達不到要求。由于這時屬于緩慢冷卻，相變過冷度較小，所以就會使得先共析鐵素體形核率減小，先共析鐵素體在晶界處析出充分，且先共析鐵素體晶粒尺寸大，鐵素體含量也較高，珠光體含量相對減少。此外，由于冷卻速度小，高溫停留時間長，故V的碳化物容易聚集長大，起不到彌散強化的作用，這都將會導(dǎo)致鍛件的硬度降低。

圖5 35MnVS連桿在較合理的冷卻速度下的金相組織

如圖5所示是35MnVS連桿在80～180℃/min冷卻速度范圍內(nèi)的金相組織，由圖5可以看出，將冷卻速度控制在80～180℃/min，會獲得比較理想的珠光體＋鐵素體組織。由于此冷卻速度較大，故先共析鐵素體晶粒變得細小，且鐵素體含量也會下降，珠光體含量會增加，但珠光體團直徑變化不大。同時，由于過冷度較大，故V的碳化物形核率也較高，容易較均勻地彌散析出，可以起到彌散強化的作用。因此鍛件硬度較高，可以達到技術(shù)要求規(guī)定的標準。

結(jié)束語

除連桿及連桿蓋外，我廠的控制臂、曲軸等汽車零部件也采用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)。在最初的生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)了許多技術(shù)問題，如產(chǎn)生異常組織、晶粒粗大、強度和硬度偏高、韌性低、硬度不均勻等。針對這些出現(xiàn)的問題，我們不斷摸索和開發(fā)新工藝，例如鍛造加熱溫度、保溫時間的合理控制，控冷線的結(jié)構(gòu)設(shè)計及冷速、保溫合理化等。通過對生產(chǎn)線工藝流程的嚴格控制和反復(fù)試驗，得出了我廠連桿及連桿蓋、控制臂、曲軸等非調(diào)質(zhì)鋼汽車零部件，以及符合我廠具體環(huán)境條件情況的工藝參數(shù)和生產(chǎn)規(guī)律。現(xiàn)在這些零部件的鍛造工藝及控冷的實施效果等都比較良好，基本上能滿足生產(chǎn)的要求。